包鋼軌梁廠鋼軌主傳動(dòng)交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)

鄒彥春，劉艷

（包鋼鋼聯(lián)軌梁軋鋼廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

包鋼軌梁廠新建的百米長(zhǎng)尺鋼軌生產(chǎn)線主要由加熱爐、BD1和BD2開坯機(jī)、UR，E，UF串列式軋機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備組成。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和控制精度，對(duì)2臺(tái)開坯機(jī)和1組串列式軋機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2 主傳動(dòng)控制系統(tǒng)

軌梁廠百米長(zhǎng)尺重軌軋機(jī)主傳動(dòng)交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路原理圖如圖1所示。

圖1 交－交變頻裝置主回路Fig.1 Main circuit of AC-AC frequency converter equipment

軌梁廠百米長(zhǎng)尺鋼軌生產(chǎn)線采用的5臺(tái)主傳動(dòng)同步電機(jī)容量分別為BD1開坯機(jī)5000 kW，BD2開坯機(jī)4000 kW，UR萬能粗軋機(jī)3500 kW，E立輥軋邊機(jī)1500 kW，UF萬能精軋機(jī)2500 kW。

主傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)每臺(tái)電機(jī)功率的不同選擇不同型號(hào)的晶閘管整流柜。TCP1型主柜為單體柜，TCP2 型主柜為雙聯(lián)柜，BD1，BD2，UR 主電機(jī)采用的是TCP2型雙聯(lián)柜，E，UF主電機(jī)采用的是TCP1型單體柜。每套主傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)由3臺(tái)主柜、1臺(tái)勵(lì)磁柜、1臺(tái)輔助電源柜、1臺(tái)S.D控制柜和1臺(tái)刀閘開關(guān)柜組成。主傳動(dòng)交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由3臺(tái)電網(wǎng)自然換流、無環(huán)流可逆三相橋式變頻器組成，對(duì)應(yīng)電機(jī)定子U，V，W三相，分別裝入U(xiǎn)，V，W三相主柜中。

主柜內(nèi)元件及其功能(以U相為例）如下：1）單相輸出的交交變頻器。它實(shí)質(zhì)是1套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)的可逆整流裝置，內(nèi)裝12個(gè)晶閘管元件，每個(gè)晶閘管之間安裝著熱阻小的銅散熱器。2）觸發(fā)脈沖接口板。從S.D控制柜發(fā)出來的脈沖通過脈沖電纜傳送到觸發(fā)脈沖接口板。3）脈沖功放傳送板PB1，PB2。觸發(fā)脈沖接口板通過端子將脈沖傳送到脈沖功放傳送板PB1，PB2，再將脈沖放大傳送到晶閘管門極上。4）并聯(lián)在晶閘管兩端的阻熔吸收裝置。吸收晶閘管的換向過電壓。5）定子交流側(cè)過壓吸收裝置。吸收變壓器操作及高壓開關(guān)動(dòng)作時(shí)的過電壓。6）定子直流側(cè)過壓吸收裝置。吸收電機(jī)啟停及變頻器升降過電壓。7）串聯(lián)在橋臂上的快熔裝置。抑制過電流。8）集中顯示器。每個(gè)主柜門上裝有集中顯示器，顯示各功率單元的工作情況及主柜通風(fēng)情況。9）晶閘管導(dǎo)通監(jiān)視器。它安裝在柜門上，主要監(jiān)視每個(gè)橋臂由于快熔熔斷、缺脈沖、誤觸發(fā)引起的缺臂故障，一旦發(fā)現(xiàn)橋臂故障，可以及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。10）零電流全關(guān)斷檢測(cè)器。它可以使整流裝置的無環(huán)流切換死區(qū)減小到 ≤1.1 ms。11）電壓變換器。檢測(cè)實(shí)際電壓，送到變頻調(diào)速系統(tǒng)里參與控制。12）電流變換器。檢測(cè)實(shí)際電流，送到變頻調(diào)速系統(tǒng)里參與控制。13）定子接地裝置。當(dāng)電路中發(fā)生接地，或設(shè)備絕緣下降、三相繞組電流不平衡，對(duì)地產(chǎn)生了大的漏電流時(shí)，中性線上有電流，送到接地裝置報(bào)警(只有U相主柜有)。

由于在軋鋼系統(tǒng)中，要求主傳動(dòng)除了可實(shí)現(xiàn)頻繁啟制動(dòng)、可逆運(yùn)行外還要求具有一定的調(diào)速范圍，有很強(qiáng)的過載能力而且要求大功率，低轉(zhuǎn)速。根據(jù)這一要求我們選用了大功率交-交變頻傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，采用西門子公司SIMADYN-D全數(shù)字64位矢量控制系統(tǒng)。其原理框圖如圖2所示。

圖2 SIMADYN-D電氣控制原理框圖Fig.2 Electrical control principle block dingram of SIMADYN-D

SIMADYN D是一種全數(shù)字化、硬件/軟件模塊化、能夠根據(jù)用戶要求硬件自由配置、用戶軟件自由編程的多處理器并行工作的模塊化控制系統(tǒng)，它將控制電機(jī)的每一項(xiàng)具體功能都制成模板化，不同的處理器板有不同的控制功能，可以根據(jù)實(shí)際控制要求進(jìn)行幾個(gè)處理器板之間的在線連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。用戶軟件采用STRUC G圖形化軟件編程，有數(shù)百個(gè)各種類型的通用及專用功能塊可供選擇，編輯用戶軟件功能包，實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的控制功能。

2.1 SIMADYN-D控制系統(tǒng)的硬件配置

SIMADYN-D系統(tǒng)的硬件配置如圖3所示，主要由框架、處理器板、通信緩沖板、輸入輸出板、通信板、程序存儲(chǔ)子板、接口板、外圍設(shè)備（PC或編程器PG等）等組成。不同的插件板之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)的，處理器板和通信板可以同其他設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通信。外部信號(hào)可通過接口板輸入，當(dāng)需要快速響應(yīng)時(shí)，可直接通過處理器板的輸入輸出口輸入輸出。

圖3 SIMADYN-D數(shù)字控制系統(tǒng)硬件配置圖Fig.3 Hardware configuration diagram of SIMADYN-D digital control system

我們所采用的5套控制系統(tǒng)均選用24插槽的機(jī)箱，其核心是3塊PM6微處理器模板，系統(tǒng)接收光電碼盤反饋回的速度及位置信號(hào)，在PM6模板 (P1)內(nèi)完成速度控制及工藝運(yùn)算，在另一PM6模板(P2)內(nèi)完成矢量變換控制運(yùn)算，然后形成定子三相電流的設(shè)定值及轉(zhuǎn)子激磁設(shè)定值，輸入給EP22及PM6和ITDC模板(P3)，由EP22進(jìn)行三相電流調(diào)節(jié)運(yùn)算，由PM6和ITDC模板完成轉(zhuǎn)子激磁電流調(diào)節(jié)運(yùn)算。并輸出晶閘管功率柜的觸發(fā)脈沖，通過晶閘管功率柜控制同步電機(jī)。

系統(tǒng)中采用CS7通訊模板，一方面通過PROFIBUS聯(lián)網(wǎng)與高壓室、操作臺(tái)及電機(jī)室的遠(yuǎn)程站（ET200）交換高壓開關(guān)、操作信號(hào)及電機(jī)保護(hù)等信息。并接受上位機(jī)的監(jiān)控。另一方面通過這一模板對(duì)各處理器進(jìn)行編程。

模板說明如下。PM6：64位的CPU，8M字節(jié)內(nèi)存，強(qiáng)制風(fēng)冷，3個(gè)插槽，X50存儲(chǔ)卡插槽，X01調(diào)試接口，X5可以接入8個(gè)開關(guān)量輸入，其中4路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警中斷功能。IT41：直接插在CPU中，無背板總線，I/O端子擴(kuò)展板，4個(gè)增量編碼器輸入，4個(gè)模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸出，16個(gè)開關(guān)量輸入，16個(gè)開關(guān)量輸出。IT42：直接插在CPU中，無背板總線，I/O端子擴(kuò)展板，4個(gè)積分模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸出，16個(gè)開關(guān)量輸入，16個(gè)開關(guān)量輸出。MM4：通訊存儲(chǔ)模板，通過本地和通訊總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可與CPU相互通訊。EP22：三相定子電流調(diào)節(jié)器。IS1：EP22附屬板。ITDC：矢量控制混合I/O模板，也叫整流變換器處理模板，是PM6的擴(kuò)展模板，用于內(nèi)部通訊，有6個(gè)脈沖線性變換，2個(gè)模擬量輸出，4個(gè)24 V的數(shù)字量輸入和4個(gè)24 V輸出，一個(gè)用于速度控制的增量編碼器輸入。EB11：開關(guān)量輸入輸出板，前面板上有2個(gè)40路電纜連接器X5，X6，每10針用于8位信息，一個(gè)外部用電P24和一個(gè)接地，連接器的4個(gè)單元中分成2個(gè)用于輸入，2個(gè)用于輸出，S1，S2用于輸出延遲信號(hào)的顯示或手動(dòng)設(shè)置，S1分給 X5，S2分給 X6。CS7：通訊板，最多可容納3個(gè)接口，可實(shí)現(xiàn)不同的通訊方式，SS52是PROFIBUS-DP/MPI，主要連接 ET200或 FM458 （或 PLC），SS4是 RS232 DUST/USS，主要連接PG和OP，SS5是PROFIBUSFMS/FDL，主要連接WCC，系統(tǒng)中采用CS7通訊模板，一方面通過PROFIBUS聯(lián)網(wǎng)與高壓站、電機(jī)旁的遠(yuǎn)程站（ET200）交換高壓開關(guān)、操作信號(hào)及電機(jī)保護(hù)等信息及與一級(jí)PLC通訊，并接受上位機(jī)的監(jiān)控；另一方面通過這一模板對(duì)各處理器進(jìn)行編程。EA12：模擬量輸出板，8個(gè)模擬量輸出通道，輸出的是模擬電壓信號(hào)，在機(jī)架中可連接到總線上的每個(gè)模塊中，通過掃描通道可測(cè)量速度值、電流值、電壓值、磁通值、轉(zhuǎn)矩值。

2.2 SIMADYN-D控制系統(tǒng)的軟件配置

SIMADYN-D的控制系統(tǒng)采用STRUC G圖形化可編輯軟件包,該軟件為UNIX的圖形編輯軟件、表格形式的編輯軟件STRUC L以及在線測(cè)試軟件IBSG,服務(wù)軟件等。系統(tǒng)軟件在處理器模板上運(yùn)行,它包括操作系統(tǒng)、功能塊、監(jiān)視程序、數(shù)據(jù)傳送和故障診斷等程序，即可完成許多復(fù)雜的控制功能。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有:速度控制、矢量控制、交交變頻電流控制、勵(lì)磁電流控制、邏輯控制、保護(hù)控制、故障診斷。

SIMADYN-D程序采用CFC編程，主要有以下功能包組成，如圖4所示。

圖4 SIMADYN-D程序控制邏輯圖Fig.4 Logildiagram of SIMADYN-D program control

2.2.1 PN-D01_P1功能包

PN-D01_P1功能包主要實(shí)現(xiàn)以下功能。1）FP-NLOG速度調(diào)節(jié)的啟動(dòng)邏輯，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)READY信號(hào)以及具體條件設(shè)定速度調(diào)節(jié)器使能狀態(tài)，條件來源為：?jiǎn)?dòng)邏輯，三相電流調(diào)節(jié)器，矢量控制及速度主令，依據(jù)這些信號(hào)定義定子及其他輔助設(shè)備的條件，從而控制速度調(diào)節(jié)器的狀態(tài)。2）FP-NREG包含速度調(diào)節(jié)：①速度給定值，速度給定及一些有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)的信息，由操作臺(tái)速度給定經(jīng)PLC送到此FP；一個(gè)給定值的多路開關(guān)可以選擇如下給定：速度主令給定、OP本地操作給定、爬行給定；②速度實(shí)際值，由光電碼盤提供，同時(shí)由軟件計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置角；③速度使能，由PLC根據(jù)自身邏輯生成速度使能信號(hào)；④速度調(diào)節(jié)，該FP還包含速度調(diào)節(jié)器。3）FP-IUEB電流給定值設(shè)定。計(jì)算電流給定值限幅值、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率及定子電流實(shí)際值。定子電流的時(shí)間監(jiān)視能避免變頻器的過負(fù)荷。

2.2.2 PN-D05_P2功能包

PN-D05_P2功能包主要實(shí)現(xiàn)以下功能：FPTVC主傳動(dòng)的閉環(huán)控制及矢量控制，為帶有光電碼盤的同步電機(jī)而設(shè)計(jì)的矢量控制。一個(gè)專用模塊為EP22定子電流調(diào)節(jié)器設(shè)定參數(shù)。

2.2.3 PN-D14_P功能包

PN-D14_P功能包主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1）FPEXCIT勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)，包含勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器；2）FP-OP監(jiān)控面板OP，作為系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能包，接收運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障信息，并提供本地開環(huán)狀態(tài)的控制命令及參數(shù)設(shè)定；3）FP-COMM_4管理EP22的運(yùn)行信息，從EP22電流調(diào)節(jié)器收集所有信息，并產(chǎn)生故障字作用于啟停邏輯；4）FPCSUP通訊狀態(tài)管理程序，管理SIMADYN-D系統(tǒng)內(nèi)部及與其他設(shè)備之間的所有通訊連接，并產(chǎn)生相應(yīng)故障字。

2.3 PLC與SIMADYN-D的通訊

PLC與SIMADYN-D之間的通訊采用Profibus通訊，在建立通訊之前首先要設(shè)置PLC和SIMADYN-D的地址，以BD1為例，在一級(jí)PLC的HW config中要設(shè)置SIMADYN-D的站點(diǎn)地址為77，并且分配模板的輸入地址和輸出地址。如圖5所示。

圖5 PLC中SIMADYN-D的站地址設(shè)置Fig.5 SIMADYN-D Station address set of PLC

在SIMADYN-D程序中，打開P1→@SEND1/3功能包→CSL2D2功能塊→MAA管腳→設(shè)置地址77，如圖6所示。

圖6 SIMADYN-D中的地址設(shè)置Fig.6 Address set of SIMADYN-D

一級(jí)PLC通過Profibus將啟停信號(hào)、快停、急停信號(hào)、復(fù)位信號(hào)以及速度給定信號(hào)送給SIMADYN-D，SIMADYN-D經(jīng)過內(nèi)部程序運(yùn)算之后，將這些信號(hào)以及速度、電流、電壓、轉(zhuǎn)矩實(shí)際值和變頻器狀態(tài)等以狀態(tài)字的形式一一反饋給一級(jí)PLC。

3 交-交變頻系統(tǒng)的特點(diǎn)及結(jié)論

包鋼軌梁廠百米長(zhǎng)尺鋼軌萬能軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)自從2006年投入運(yùn)行以來，一直較穩(wěn)定。該交-交變頻系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。1）該系統(tǒng)運(yùn)行后,穩(wěn)態(tài)精度達(dá)到0.01%,靜態(tài)紋波小于0.2%,動(dòng)態(tài)速降1.4%，動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間500 ms，能夠滿足型鋼產(chǎn)品的軋制精度要求；正反轉(zhuǎn)最高速切換時(shí)間可以在4 s內(nèi)完成切換，滿足往復(fù)式軋機(jī)的要求。2）該系統(tǒng)功率單元全部國(guó)產(chǎn)化，運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)晶閘管日益成熟；而且系統(tǒng)冷卻方式為風(fēng)冷，維護(hù)簡(jiǎn)單，維護(hù)難度低。3）晶閘管的單硅耐壓等級(jí)和電流容量都較高，保證了主回路相對(duì)簡(jiǎn)潔，串并聯(lián)使用的晶閘管支數(shù)相對(duì)于新型功率元件IGBT等要少，維護(hù)難度低。4）大功率交-交變頻系統(tǒng)的功率因數(shù)較低,且諧波含量較高,需配合無功補(bǔ)償和濾波裝置使用。我廠使用了靜止性SVC系統(tǒng),功率因數(shù)基本可以達(dá)到0.95左右,電網(wǎng)電壓波動(dòng)控制在2%以內(nèi)。5）該系統(tǒng)對(duì)接地要求較高,否則易受干擾，主要表現(xiàn)在調(diào)試初期電流檢測(cè)環(huán)節(jié)易受干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)過電流，分析原因主要是由于系統(tǒng)接地電阻大，柜內(nèi)信號(hào)線屏蔽措施不夠造成，整改后得以解決；而且直流側(cè)的電流檢測(cè)元件輸出信號(hào)為±10 mV，特別易受干擾，不如在交流側(cè)選用高精度的電流互感器，其最終輸出信號(hào)為0～10 V不易受到干擾更加穩(wěn)定。6）該系統(tǒng)中還使用了國(guó)產(chǎn)的零電流全關(guān)斷檢測(cè)板，工作穩(wěn)定,與國(guó)外產(chǎn)品可以相媲美。

總之，該交-交變頻系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)功率單元與西門子的控制系統(tǒng)配合使用的方案已經(jīng)比較成熟,是一個(gè)可以降低系統(tǒng)一次性投入的高性價(jià)比的方案,說明國(guó)內(nèi)已逐漸消化吸收了交-交變頻系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，值得在各領(lǐng)域大力推廣應(yīng)用。

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